CN111223671A - 兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于超级电容器技术领域的一种兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器及制造方法。该自传感超级电容器采用多单体串联叠层式结构，多单体串联叠层式结构中单体电容器由氧化钌电极、钛集流体、刚性法兰和电解液构成；多单体串联叠层在一起；再与带有凸起电极的单个电容单体串联形成半成品叠层电容；两个半成品叠层电容通过弹性法兰和弹性灌封胶灌封胶封，并在电容侧面斜对称各放置刚性基底；即形成自传感超级电容器。本发明在超级电容器内采用了微短路结构，使得超级电容器在保持基本电容器功能外还具备传感器功能，实现了传感器与储能器件一体化集成，有利于复杂系统集成化发展，拓展了超级电容器的应用场合。

Description

兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器及制造方法
技术领域
本发明属于超级电容器技术领域，特别涉及一种兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器及制造方法。
背景技术
超级电容器具有充放电电流大、循环寿命长、抗冲击性能好等优势，常应用于电气系统中作为电源或者备用电源使用。在高过载冲击探测领域中，通常用超级电容器作为电源部分与传感器联用，由超级电容器为冲击传感器进行供电，确保在超高的过载环境下电源能够正常对传感器供电，保证冲击的可靠探测。
能源与传感器在系统中分别工作，器件集成化的程度不高，功能单一，在一定程度不利于冲击测量系统体积的缩减，这也限制了超级电容器的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器及制造方法；其特征在于，该自传感超级电容器采用多单体串联叠层式结构，多单体串联叠层式结构中单体电容器由氧化钌电极1、钛集流体2、刚性法兰3或电解液6构成；多单体串联叠层在一起；再与带有凸起电极8的单个电容单体串联形成半成品叠层电容；每两个半成品叠层电容的有凸起电极8的一面相对错位固定，使两凸起电极8错开一段距离；该两个半成品叠层电容的正负电极用弹性法兰4胶封，然后用弹性灌封胶7灌封成一体，弹性灌封后的电容侧面斜对称各放置刚性基底5，所述两个半成品叠层电容之间即是传感单体电容，即形成自传感超级电容器。
所述正负电极-集流体都采用钛基氧化钌涂层；所述电解液采用质量分数38%的硫酸溶液；所述弹性胶采用712灌封胶，所述斜对称放置的刚性基底采用硬铝制作。
所述单体电容的正负电极错位断开的短路结构，在非冲击条件下，弹性法兰4不变形，两凸起电极8错开组成的短路结构错位断开，不影响超级电容器的正常对外供电；当处于外界高过载冲击环境下，弹性法兰4产生变形，单体电容的正负电极发生相对移动，原本错开一段距离的凸起电极触点闭合形成短路，输出电压在瞬间向下发生短暂跳变，从而感知过载冲击，即形成所谓的自传感超级电容器。
所述单体电容的正负电极上错位固定凸起电极之间相对于对称轴垂直错开一段距离，两个凸起的高度之和稍大于两个电极之间的距离，保证电极在发生横向微小的相对移动时两个凸起能够接触，造成器件瞬间短路，输出电压瞬间下降，完成冲击探测。
所述自传感超级电容器的制造方法包括步骤：
步骤1，在钛基底表面上涂覆了一层氧化钌，制成氧化钌电极，组装时先将常规钛基氧化钌电容单体组装成两个叠层式电容，再分别与带有凸起电极的单个电容单体串联形成半成品叠层电容，带凸起的电极位于底层，凸起面朝外；将所述两个半成品叠层电容组装起来，并保证两个凸起电极之间错位相对，电极之间采用弹性法兰胶封；法兰高度稍小于凸起的高度之和，法兰宽度为2倍于凸起的高度，保证胶圈与电极表面有足够的接触面积，以提供稳定支撑。
步骤2，当弹性法兰与电极之间粘连固化后，进行注液与封装，用针头从弹性法兰扎入空腔，抽取空气同时按压电容两端压缩空腔体积；抽取相应的空气后保持按压，更换针头往里注射电解质并同步释放空腔体积，完成电容器注液后填补针孔并在外围用弹性灌封胶初步灌封。
步骤3，在初步弹性灌封后的电容侧面斜对称各放置刚度大于灌封胶的基底，其作用在于确保当器件无论受到正向或者反向的横向冲击时，两部分电极不因支撑刚度的不同而发生相向运动。
本发明的有益效果是在超级电容器内采用了微短路结构，使得超级电容器在保持基本电容器功能外还具备传感器功能，实现了传感器与储能器件一体化集成，解决了以往冲击传感器需要额外电源供电的问题，实现了多个器件功能集成于单一器件中，有利于复杂系统集成化发展，拓展了超级电容器的应用场合。
附图说明
图1为自传感超级电容器结构示意图；
图2为自传感超级电容器的自传感原理示意图。
具体实施方式
本发明提供一种兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器及制造方法；下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1所示为自传感超级电容器结构示意图；该自传感超级电容器采用多单体串联叠层式结构，多单体串联叠层式结构中单体电容器由氧化钌电极1、钛集流体2、刚性法兰3或电解液6构成；多单体串联叠层在一起；再与带有凸起电极8的单个电容单体串联形成半成品叠层电容；每两个半成品叠层电容的有凸起电极8的一面相对错位固定，使两凸起电极8错开一段距离；该两个半成品叠层电容的正负电极用弹性法兰4胶封，然后用弹性灌封胶7灌封成一体，弹性灌封后的电容侧面斜对称各放置刚性法兰3，所述两个半成品叠层电容之间即是传感单体电容，即形成自传感超级电容器。
在本实施例中，正负电极-集流体都采用钛基氧化钌涂层，电解液采用质量分数38%的硫酸溶液，弹性胶采用712灌封胶，斜对称放置的刚性基底采用硬质金属，弹性模量显著高于712灌封胶。所述斜对称放置的刚性基底采用硬铝制作。
所述自传感超级电容器的制造方法包括步骤：
步骤1，在钛基底表面上涂覆了一层氧化钌，制成氧化钌电极，组装时先将常规钛基氧化钌电容单体组装成两个叠层式电容，再分别与带有凸起电极的单个电容单体串联形成半成品叠层电容，带凸起的电极位于底层，凸起面朝外；将所述两个半成品叠层电容组装起来，并保证两个凸起电极之间错位相对，电极之间采用弹性法兰胶封；法兰高度稍小于凸起的高度之和，法兰宽度为2倍于凸起的高度，保证胶圈与电极表面有足够的接触面积，以提供稳定支撑。
步骤2，当弹性法兰与电极之间粘连固化后，进行注液与封装，用针头从弹性法兰扎入空腔，抽取空气同时按压电容两端压缩空腔体积；抽取相应的空气后保持按压，更换针头往里注射电解质并同步释放空腔体积，完成电容器注液后填补针孔并在外围用弹性灌封胶初步灌封。
步骤3，在初步弹性灌封后的电容侧面斜对称各放置刚度大于灌封胶的基底，本实施例中使用硬铝，其作用在于确保当器件无论受到正向或者反向的横向冲击时，两部分电极不因支撑刚度的不同而发生相向运动。
电容器在充至满电时使用。使用时水平放置，在非冲击条件下，弹性法兰4不变形，两凸起电极8错开组成的短路结构错位断开，不影响超级电容器的正常对外供电；当受到竖直方向的冲击时，如图2所示，电容器左右两部分由于基底的支撑刚度不同，当处于外界高过载冲击环境下，弹性法兰4产生变形，单体电容的正负电极发生相对移动，原本错开一段距离的凸起电极触点闭合形成短路，输出电压在瞬间向下发生短暂跳变，从而感知过载冲击，即形成所谓的自传感超级电容器。
在本实施例中，将器件输出外接至微分放大电路对冲击时电容器电压的负向跳变进行获取，完成冲击识别。同时将电容器两端作为电源对微分放大电路进行供电，实现了电路稳定工作同时放大了冲击响应信号。
本发明真正意义上实现了传感供能一体化集成，克服了以往过载高冲击检测中传感器需要额外电源供应的问题，能够有效减小检测设备的体积，十分适合应用于某些对器件体积有严格要求的场合。

Claims (5)

1.一种兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器；其特征在于，该自传感超级电容器采用多单体串联叠层式结构，多单体串联叠层式结构中单体电容器由氧化钌电极（1）、钛集流体（2）、刚性法兰（3）或电解液（6）构成；多单体串联叠层在一起；再与带有凸起电极（8）的单个电容单体串联形成半成品叠层电容；每两个半成品叠层电容的有凸起电极（8）的一面相对错位固定，使两凸起电极（8）错开一段距离；该两个半成品叠层电容的正负电极用弹性法兰（4）胶封，然后用弹性灌封胶（7）灌封成一体，弹性灌封后的电容侧面斜对称各放置刚性基底（5）；所述两个半成品叠层电容之间即是传感单体电容，即形成自传感超级电容器。
2.根据权利要求1所述兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器；其特征在于，所述正负电极-集流体都采用钛基氧化钌涂层；所述电解液采用质量分数38%的硫酸溶液；所述弹性胶采用712灌封胶，所述斜对称放置的刚性基底采用硬铝制作。
3.根据权利要求1所述兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器；其特征在于，所述单体电容的正负电极错位断开的短路结构，在非冲击条件下，弹性法兰（4）不变形，两凸起电极（8）错开组成的短路结构错位断开，不影响超级电容器的正常对外供电；当处于外界高过载冲击环境下，弹性法兰4产生变形，单体电容的正负电极发生相对移动，原本错开一段距离的凸起电极触点闭合形成短路，输出电压在瞬间向下发生短暂跳变，从而感知过载冲击，即形成所谓的自传感超级电容器。
4.根据权利要求1所述兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器；其特征在于，所述单体电容的正负电极上错位固定凸起电极之间相对于对称轴垂直错开一段距离，两个凸起的高度之和稍大于两个电极之间的距离，保证电极在发生横向微小的相对移动时两个凸起能够接触，造成器件瞬间短路，输出电压瞬间下降，完成冲击探测。
5.一种权利要求1所述兼具储能与冲击传感功能的自传感超级电容器的制造方法；其特征在于，所述自传感超级电容器的制造方法包括步骤：
步骤1，在钛基底表面上涂覆了一层氧化钌，制成氧化钌电极，组装时先将常规钛基氧化钌电容单体组装成两个叠层式电容，再分别与带有凸起电极的单个电容单体串联形成半成品叠层电容，带凸起的电极位于底层，凸起面朝外；将所述两个半成品叠层电容组装起来，并保证两个凸起电极之间错位相对，电极之间采用弹性法兰胶封；法兰高度稍小于凸起的高度之和，法兰宽度为2倍于凸起的高度，保证胶圈与电极表面有足够的接触面积，以提供稳定支撑；
步骤2，当弹性法兰与电极之间粘连固化后，进行注液与封装，用针头从弹性法兰扎入空腔，抽取空气同时按压电容两端压缩空腔体积；抽取相应的空气后保持按压，更换针头往里注射电解质并同步释放空腔体积，完成电容器注液后填补针孔并在外围用弹性灌封胶初步灌封；
步骤3，在初步弹性灌封后的电容侧面斜对称各放置刚度大于灌封胶的基底，其作用在于确保当器件无论受到正向或者反向的横向冲击时，两部分电极不因支撑刚度的不同而发生相向运动。
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